CN204301899U - 负载传感器 - Google Patents

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美齐津英司
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Abstract

本实用新型提供一种能够正确地测定作用于一个轴向的负载的负载传感器。其经由按压轴按压传感器部来测定负载，该负载传感器具有：将负载沿一轴向传递的按压轴(20)；经由按压轴(20)测定负载的传感器元件(10)；以及保护传感器元件(10)的负载限制机构(30)，在传感器元件(10)的测定允许范围内使用该传感器元件(10)测定负载，并且在施加到传感器元件(10)的负载超过其测定允许范围的情况下，负载限制机构(30)在超过传感器元件(10)的测定允许范围的量的负载区域变形。

Description

负载传感器
技术领域
本实用新型涉及对作用于一个轴向的负载进行测定的负载传感器。
背景技术
以往公知有对作用于一个轴向(例如直角坐标系中的Z轴方向)的负载(按压力)进行测定的负载传感器(例如，参照专利文献1以及2)。专利文献1记载的负载传感器具有使用螺旋弹簧作为缓冲部件的所谓的上皿天平的形态。而且，该负载传感器通过在轴的底面设置限位器，或者使壳体贯通孔径与轴一致，来作为受到偏负载或铅垂方向以外的冲击时的对策。另外，专利文献2记载的负载传感器利用分别由MR元件构成的两个检测元件和两个螺旋弹簧来检测大范围的负载。
专利文献1：日本特开昭61-278719号公报
专利文献2：日本特开2000-214002号公报
在专利文献1记载的负载传感器的结构中，位移部分会因负载而产生位移，由于将检测部配置在与位移部分不同的部分，因此装置变大，从而难以实现整体的小型化。另外，由于托盘大，因此相对于偏负载必须使轴变长，同样不利于整体的小型化。
另外，在专利文献2记载的负载传感器的结构中，因为弹簧由两级构成，所以装置整体变大。另外，因为不具有如防止应测定的负载所作用的轴线方向倾斜这样的结构，所以存在不能够测量出正确的负载的问题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种能够保护传感器元件且能够正确地测定作用于一个轴向的负载的负载传感器。进而，提供一种能够使整体的结构小型化的、且即便从相对于负载作用的轴线方向偏离的方向施力也能够正确地测定作用于一个轴向的负载的负载传感器。
为了解决上述课题，本实用新型的技术方案1的负载传感器的特征在于，
所述传感器具有：将负载沿一个轴向传递的按压轴；经由上述按压轴测定负载的传感器元件；以及保护上述传感器元件的负载限制机构，在上述传感器元件的测定允许范围内，使用该传感器元件测定负载，并且在负载超过上述传感器元件的测定允许范围的情况下，上述负载限制机构在超过上述传感器元件的测定允许范围的负载区域变形。
根据本实用新型的技术方案1所涉及的负载传感器，能够正确地测定作用于按压轴的负载亦即应测定的范围的负载，在超过测定允许范围的负载或冲击负载施加于按压轴的情况下，负载限制机构在负载区域变形从而保护传感器元件。
另外，根据技术方案1记载的负载传感器，本实用新型的技术方案2所涉及的负载传感器的特征在于，上述传感器元件由应变体(strainbody)和应变计构成。
根据本实用新型的技术方案2所涉及的负载传感器，能够以排成一列的方式配置传感器元件、按压轴以及负载限制机构，因此能够实现负载传感器整体的小型化。另外，在超过测定范围的负载或冲击负载施加于按压轴的情况下，负载限制机构在负载区域变形，因此能够精度良好地进行测定，并且在施加了超过其负载的情况下，通过负载限制机构在负载区域变形，使得剩余量的负载不会给传感器元件带来负面影响，因此能够经长期精度好地进行负载测定。
另外，根据技术方案1或者技术方案2的负载传感器，本实用新型的技术方案3所涉及的负载传感器的特征在于，
在上述按压轴形成有机械式限位器。
根据本实用新型的技术方案3的负载传感器，能够利用机械式限位器阻止因过负载或冲击力作用而使按压轴向传感器元件移动的情况，因此能够保护传感器元件受到这些过负载或冲击力的作用，从而能够延长负载传感器的产品寿命。
另外，根据技术方案1至技术方案3中任意一项记载的负载传感器，本实用新型的技术方案4所涉及的负载传感器的特征在于，
具有将上述传感器元件、负载限制机构以及上述按压轴支承为规定的配置状态的支承体，并且上述按压轴通过板簧与上述支承体连结，使得上述按压轴以与作用于该按压轴的负载相对应的方式沿确定的一个轴向移动。
根据本实用新型的技术方案4的负载传感器，在负载作用于按压轴时，按压轴经由简单构造的板簧而仅沿一个轴向移动，因此能够实现负载传感器整体的小型化。另外，负载经由按压轴总是沿恒定方向施加于传感器元件，因此不会有过度的力沿非预期的方向施加于传感器元件，从而能够长时间正确地测定负载。其结果，能够延长负载传感器的产品寿命。
另外，本实用新型的技术方案5所涉及的负载传感器是利用按压轴按压传感器元件来测定负载的负载传感器，其特征在于，
具有将上述传感器元件和上述按压轴支承为规定的配置状态的支承体，并且上述按压轴通过板簧与上述支承体连结，使得上述按压轴以与作用于该按压轴的负载相对应的方式沿确定的一个轴向移动。
根据本实用新型的技术方案5所涉及的负载传感器，在负载作用于按压轴时，因为按压轴经由简单构造的板簧而仅沿一个轴向移动，因此能够实现负载传感器整体的小型化。另外，负载经由按压轴总是沿恒定方向施加于传感器元件，因此不会有过度的力沿非预期的方向施加于传感器元件，从而能够长时间正确地测定负载。其结果，能够延长负载传感器的产品寿命。
根据本实用新型，可以提供一种能够保护传感器元件且能够正确地测定作用于一个轴向的负载的负载传感器。并且，可以提供一种能够使整体的构成小型化的、且即便从与负载作用的轴线方向偏离的方向施力也能够正确地测定作用于一个轴向的负载(按压力)的负载传感器。
附图说明
图1是本实用新型的一个实施方式所涉及的负载传感器的立体图。
图2是将图1所示的负载传感器以包括其长度方向轴线的方式剖切的剖视立体图。
图3是与图2对应的剖视图。
图4(a)至图4(d)是对图1所示的负载传感器的作用进行说明的说明图。
图5是与对图1所示的负载传感器的作用进行说明的图4相对应的特性图。
附图标记说明：
1…负载传感器；10…传感器元件；20…按压轴；30…螺旋弹簧(负载限制机构)；31…一个端部；32…另一个端部；40…支承壳体(支承体)；41…轴侧开口部；42…弹簧侧开口部；51、52(50)…板簧；110…应变体；111、112…应变体端部；120…应变计；210…轴主体；211、212…板簧卡合槽；220…受压部；230…按压部；250…机械式限位器；411、412…板簧卡合槽；420…轴插入空间；430…弹簧收容空间；431…内侧阶梯部；432…外侧阶梯部。
具体实施方式
以下，基于附图对本实用新型的一个实施方式的负载传感器进行说明。图1是本实用新型的一个实施方式所涉及的负载传感器的立体图。另外，图2是将图1所示的负载传感器以包含其长度方向轴线的方式剖切的剖视立体图。另外，图3是与图2相对应的剖视图。
本实用新型的一个实施方式所涉及的负载传感器1是利用按压轴20按压传感器元件(传感器部)10来测定负载的负载传感器，其具有：将所施加的负载向一个轴向传递的按压轴20；经由按压轴20测定负载的传感器元件10；保护传感器元件10的负载限制机构30；以及将传感器元件10、负载限制机构30以及按压轴20支承为规定的配置状态的支承壳体(支承体)40。
以下，对构成负载传感器1的各构成要素进行详细说明。传感器元件10由应变体110和应变计120构成。应变体110形成为由金属制成的厚度薄的板状，在一个面(图2以及图3中上侧面)以能够分离的方式按压有按压轴20的前端，并且在另一个面(图2以及图3中下侧面)贴附有应变计120。而且，贴附有应变计120的应变体110的外侧区域(应变体端部111)与成为负载限制机构30的螺旋弹簧30的一个端部(图2中上侧端部)31抵接。
在应变体110另一个面上形成有绝缘膜，并在该绝缘膜上贴附有多个应变计120，它们以形成惠斯通电桥电路的方式相互电连接。应变计120的输出经由此处未详细图示的FPC(柔性印刷电路基板)向负载传感器1的外部输出。
作为负载限制机构的螺旋弹簧30，以被后述的支承壳体40施力的状态组装，并设定其弹簧常量，以使得在传感器元件10的测定允许范围内使用传感器元件10测定负载，并且在施加于传感器元件10的负载超过其测定允许范围的情况下，在超过了传感器元件10的测定允许范围的量的负载区域变形。
按压轴20例如由金属制成，其具有实心棒状的轴主体210和在轴主体210的一个端部承受负载的受压部220。另外，按压轴20的轴主体210的另一个端部形成有锥部，该锥部将轴主体中心部作为曲率半径大的顶，而遍及周向整体坡度较小，该中心突出的按压部230与传感器元件10的应变体110的一个面(与应变计120的贴付面相反的一侧的面)的中心部抵接。
在按压轴20的轴主体210，且在受压部220的附近，形成有遍及轴主体210的整周扩径了的机械式限位器250。机械式限位器250的外径比后述的支承壳体40的靠按压轴20的轴侧开口部41的内径大，在过负载或冲击力施加于受压部220的情况下，机械式限位器250与轴侧开口部41抵碰而使按压轴20无法再进一步向传感器元件10移动。此外，当然也可以不形成机械式限位器而以受压部220实现该功能。另外，在轴主体210的长度方向上的机械式限位器250与按压部230之间，在本实施方式中，在两处以规定的间隔遍及轴主体210的整周形成有板簧卡合槽211、212(参照图3)。
支承壳体40例如由金属形成，呈圆筒体形状，从内侧空间的一个端部到长度方向大致中央部为止，作为按压轴20的轴主体210的轴插入空间420而形成，从另一个端部到长度方向中央部为止，作为收容传感器元件10以及螺旋弹簧30的弹簧收容空间430而形成。轴插入空间420的内周面与插入该空间的轴主体210的外周面之间在一定程度上分开，在轴插入空间420的内周面整体的两处形成有板簧卡合槽411、412(参照图3)，在这两处板簧卡合槽411、412与它们分别所对应的遍及轴主体210的外周面整周形成的板簧卡合槽411、412之间，以环状的板簧51、52(50)与各槽卡合的状态夹装有环状的板簧51、52(50)。此外，板簧以及卡合槽并不限定于两处。
板簧50的按压轴长度方向的弹性为如下程度，即：在按压轴20沿其轴线方向移动时不对移动造成妨碍。另外，由于两片板簧51、52分别形成为环状，因此按压轴20的移动方向与其轴线方向一致。而且，利用板簧50的弹性变形能够使支承壳体40的轴插入空间420内的按压轴20的轴主体210以使两者的中心轴线一致的状态从而不会收到板簧50的阻力而沿该中心轴线方向移动。此外，在组装负载传感器1的情况下，例如以如下方式进行组装，即：使板簧51、52分别与形成于按压轴20的轴主体210的板簧卡合槽211、212卡合，并以该状态从支承壳体40的轴侧开口部41将轴主体210插入，使得板簧51、52的外周部以与形成于支承壳体40的轴插入空间420的板簧卡合槽411、412卡合。
支承壳体40的弹簧收容空间430的内径比轴插入空间420的内径大，并且比弹簧收容空间430侧的弹簧侧开口部42的内径大。而且，在弹簧收容空间430与轴插入空间420之间形成有内侧阶梯部431，并且在开口部侧形成有外侧阶梯部432。
在支承壳体40的弹簧收容空间430的内侧阶梯部431抵接有应变体110的一个面的应变体端部111，在应变体110另一个面的应变体端部112抵接有螺旋弹簧30的一个端部31。另外，在支承壳体40的弹簧收容空间430的外侧阶梯部432落座有螺旋弹簧30另一个端部32。此外，在组装负载传感器1的情况下，例如对于向支承壳体40的弹簧收容空间430内收容传感器元件10以及螺旋弹簧30的收容作业，可以用手指分别使传感器元件10以及螺旋弹簧30变形，使它们的外形变小，并以该状态从支承壳体40的弹簧侧开口部42向弹簧收容空间430内收容。
按压轴20如上述那样以根据作用于该轴的负载而沿确定的一个轴向移动的方式通过板簧50与支承壳体40连结。本实施方式所涉及的负载传感器1具有这样以规定的状态支承传感器元件10和按压轴20的支承壳体40，并且按压轴20以根据作用于该轴的负载而沿确定的一个轴向移动的方式通过板簧50与支承壳体40连结，从而能够通过利用按压轴20按压传感器元件10来测定负载。
接下来，对本实施方式所涉及的负载传感器的作用进行说明。图4是对图1所示的负载传感器的作用进行说明的说明图。另外，图5是与对图1所示的负载传感器的作用进行说明的图4相对应的特性图。此外，在图4中，为了使实用新型容易被理解，以比实际的变形程度更夸张的方式表示各构成要素变形的程度。另外，图5中的K1是传感器元件10的弹簧常量，K2是螺旋弹簧的弹簧常量，b表示螺旋弹簧的初始负载，δ表示按压轴20的最大移动量，即从按压轴20的按压部230与传感器元件10接触开始直至机械式限位器250与支承壳体40的轴侧开口部41抵碰而停止为止的按压轴20的移动量。
以下，对从图4(a)至图4(d)的伴随着负载变化的负载传感器的状态变化进行说明。图4(a)表示未向负载传感器1施加按压力的状态。此外，该状态相当于图5的横轴为F0的位置。在该状态下，作为按压轴20的轴前端部的按压部230与传感器元件10的应变体110接触。
若向按压轴20的受压部220施加按压力，则如图4(b)所示，在螺旋弹簧30不收缩的状态下，仅是传感器元件10的应变体110的中央部被按压轴20的按压部230按压而发生变形，利用因应变计120的电阻值变化而在惠斯通电桥电路产生的电位差来正确地测定施加于传感器元件10的按压力。此外，该状态相当于图5的横轴所示的按压力F为F0～FS的位置。在图5中，为了提高测定精度，将传感器元件10的测定允许范围F0～FS中的F0～F1(F1＜FS)作为实际的测定范围。
在进一步向受压部220施加超过传感器元件10的测定允许范围的按压力的情况下，则如图4(c)所示，螺旋弹簧30被施力并在该超过的量的负载区域变形。此外，该状态相当于图5的横轴所示的按压力F为FS～FL的位置。
在施加进一步使螺旋弹簧30受力的按压力或冲击力的情况下，如图4(d)所示，按压轴20的轴主体210所具备的机械式限位器250与支承壳体40的轴侧开口部41的周围抵碰，阻止按压轴20向传感器元件10的进一步的移动。由此，例如在施加了大幅超过传感器元件10的测定允许范围的过大的按压力或向负载传感器1施加冲击力的情况下等，能够在这些过大的按压力或冲击力下保护传感器元件10。此外，该状态相当于图5的横轴所示的按压力F比FL靠右侧的位置(F≥FL)。
如以上说明那样，对于本实施方式所涉及的负载传感器1而言，按压轴20、传感器元件10以及螺旋弹簧30以排成一列的方式配置，并收容于对按压轴20的轴主体210、传感器元件10以及螺旋弹簧30进行支承的壳体40。另外，传感器元件10由厚度薄的应变体110和贴附于应变体110的应变计120构成，使得占上述的各构成要素的配置方向的宽度非常小。由此，能够缩短负载传感器1的全长。由于负载传感器1具有这样的结构，因此与以往的负载传感器相比，能够实现相当程度的小型化和轻型化。其结果，对组装有本实用新型所涉及的负载传感器的对象产品的小型化也有贡献。
另外，由于按压轴20经由两片环状的板簧50而被支承于支承壳体40的内部，因此基于施加到按压轴20的受压部220的负载使按压轴20沿轴线方向移动，从而按压轴前端的按压部230必定会垂直地按压传感器元件10的应变体110的一个面。其结果，即便从与负载作用的轴线方向偏离的方向进行按压，也能够正确地测定出沿一个轴向作用的负载，并且能够不在应变计120与应变体110之间产生过度的应力而延长传感器元件的寿命，从而能够长时间正确地进行负载测定。
特别是使本实施方式所涉及的负载传感器1小型化的情况下，为了将传感器元件10的输出特性维持为高精度，与负载传感器1的小型化相对应，传感器元件10的应变体110也必须形成为直径小且厚度相当薄，若在此时按压轴前端的按压部230朝向非预期的方向并压入应变体110，则存在使应变体110产生破损的可能性，但是在本实施方式的情况下，按压轴前端的按压部230必定会垂直地按压上述的应变体110的一个面，由于形成为该结构，所以不会有产生这样的不良情况的可能性。
另外，即便在如下测量环境下，即：与应测定的负载小且负载测定范围窄的情况无关，施加于按压轴20的受压部220的负载不恒定，超过了应测定负载的大小的范围的过负载或冲击力频繁作用的测定环境下，本实用新型的负载传感器1也能够充分发挥其作用。换句话说，在如上述那样使负载传感器1小型化的情况下，虽然伴随传感器1小型化而传感器元件10的应变体110也变为直径小且厚度相当薄，但是在施加过负载或冲击力的情况下，作为第一阶段，螺旋弹簧30因超过了测定范围的量的剩余的负载或冲击而在负载区域变形，并且作为第二阶段，机械式限位器250与支承壳体40的轴侧开口部41抵碰而使按压轴20无法移动，因此能够保护传感器元件10，从而能够长期精度良好地进行负载测定。
此外，上述的实施方式只不过是表示本实用新型的一个实施例，也可以说，只要不脱离本实用新型的范围，其形状、材质、大小等是能够进行变更的。
因此，例如为了使按压轴以能够沿轴线方向移动的方式支承于支承壳体而在上述的实施方式中使用环状的板簧，则代替上述情况，也可以在支承壳体的内周面以周向上等间隔的方式使具有挠性的悬臂梁状的板簧延伸，并将其前端部固定于按压轴，从而将按压轴以能够沿轴线方向移动的方式支承于壳体。
另外，例如也可以将线性轴承夹装于按压轴与支承壳体之间，使得在按压轴沿其轴线方向移动时不产生阻力。
另外，在上述的实施方式中，传感器元件的应变体是由金属形成的，但只要是能够发挥传感器元件的性能，则对该金属的种类没有特别的限定，可以是铝合金、不锈钢(SUS)等，也可以是金属以外，即也可以由能够发挥与金属同等作用的树脂形成。
另外，本实施方式的情况下，将多个应变计以它们相互形成为惠斯通电桥电路的方式电路连接，也可以代替上述情况，在应变体的中心部仅贴附一个应变计，根据该单一应变计的变形量来检测按压力。
另外，传感器元件使用了由应变计和应变体构成的畸变传感器，但并不局限于此，例如也可以形成为如下构造，即：使用形成为半导体晶片状的静电电容式压力传感器、压电式压力传感器、或磁致伸缩传感器而根据按压力使作用于该传感器元件的压力变化。
另外，在本实施方式中，作为负载限制机构而使用了螺旋弹簧，也可以代替螺旋弹簧而使用具有相应的弹性的橡胶、波纹管、或使用具有其硬度达到能够发挥本实用新型的作用的程度的海绵体等。
另外，在上述的实施方式中，开口部的内径比支承壳体的弹簧收容空间的内径小，但是也可以不使这两者的部分如上述实施方式的那样一体形成，而是单独形成后再结合。由此，若在支承壳体的弹簧收容空间开口的状态下，以不使传感器元件以及螺旋弹簧分别收缩变形的方式进行收容，之后再将支承壳体40的开口部结合，则能够使这些部件的组装作业变得容易。

Claims (5)

1.一种负载传感器，其特征在于，具备：
将负载沿一轴向传递的按压轴；
经由所述按压轴测定负载的传感器元件；以及
保护所述传感器元件的负载限制机构，
在所述传感器元件的测定允许范围内使用该传感器元件测定负载，并且在负载超过所述传感器元件的测定允许范围的情况下，所述负载限制机构在超过所述传感器元件的测定允许范围的负载区域变形。
2.根据权利要求1所述的负载传感器，其特征在于，
所述传感器元件由应变体和应变计构成。
3.根据权利要求1所述的负载传感器，其特征在于，
在所述按压轴形成有机械式限位器。
4.根据权利要求1到3中任意一项所述的负载传感器，其特征在于，
具有将所述传感器元件、所述负载限制机构以及所述按压轴支承为规定的配置状态的支承体，并且所述按压轴通过板簧与所述支承体连结，以使所述按压轴与作用于该按压轴的负载相对应地沿特定的一个轴向移动。
5.一种负载传感器，通过用按压轴按压传感器元件来测定负载，所述负载传感器的特征在于，
具有将所述传感器元件和所述按压轴支承为规定的配置状态的支承体，并且所述按压轴通过板簧与所述支承体连结，以使所述按压轴与作用于该按压轴的负载相对应地沿特定的一个轴向移动。
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